多関節型アームロボット、制御方法及び制御プログラム

本発明は、複数の関節部を有する多関節型アームロボット、制御方法及び制御プログラムに関するものである。

一般に、人と共存して作業を行うアームロボットには高い安全性が要求されており、アームロボットを安全に操作するためには、その駆動力を十分に低下させ安全性を確保するのが望ましい。 しかしながら、人の腕に類似したアーム軸構成で、一般的な垂直多関節アームによって広い可動域と大きなワーク重量への対応とを両立しようとする場合、特にモーメント長が長くなるアーム基部の関節に大きな駆動力が必要となる。 このため、安全かつ低消費電力とは言えないアーム構成となる。

一方、水平多関節軸と鉛直軸とを組み合わせたスカラ（SCARA：Selective Compliance Assembly Robot Arm）ロボットなどの産業用ロボットを用いて、組立て作業等が行われている。 また、主動側リンクと従動側リンク間に、リンク軸線に対して傾斜させた面に回転制御構造を設けて、従動側リンクがリンク軸線に対して傾斜したオフセット回転軸線を有するオフセット回転関節を構成し、該オフセット回転関節をロボット本体とエンドエフェクタとの間に複数段設けられた多関節ロボットが知られている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、上記スカラロボットにおいて、ワークやアーム自体の重量が旋回軸に作用しないため、その駆動力を低く抑えることができるというメリットを有しているが、一方で、アームの上下方向の可動域が限定され狭くなるというデメリットを有している。
また、上記特許文献１に示す多関節ロボットにおいては、可動範囲を広くすることができるが構成が複雑化する虞がある。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、簡易な構成で、アームを低駆動力で駆動しつつ広範囲で移動可能な多関節型アームロボット、制御方法及び制御プログラムを提供することを主たる目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、上下方向に伸縮可能な支持部と、前記支持部に、第１関節部を介してヨー軸周りに回転可能に一端が連結され、両端間にロール軸周りに回転可能な第２関節部が設けられた第１アーム部と、前記第１アーム部の他端に、第３関節部を介してヨー軸又はピッチ軸周りに回転可能に一端が連結された第２アーム部と、前記第２アーム部の他端に、第４関節部を介してヨー軸又はピッチ軸周りに回転可能に連結されたエンドエフェクタ部と、前記第１乃至第４関節部を夫々回転及び前記支持部を伸縮させる駆動部と、を備える多関節型アームロボットであって、前記第１、第２及び第３アーム部を水平面内のみに回転させるスカラモードと、前記第２及び第３アーム部を鉛直面内のみに回転させる垂直� ��ードと、にアームを切替えて、前記第１乃至第４関節部の駆動部の駆動制御を行う制御部を備える、ことを特徴とする多関節型アームロボットである。 この一態様によれば、簡易な構成で、アームを低駆動力で駆動しつつ広範囲で移動させることができる。

この一態様において、前記制御部は、前記駆動部を制御して前記第２関節部をロール軸周りに回転させることで、前記第１、第３及び第４関節部の回転軸が鉛直方向となる前記スカラモードと、前記第３及び第４関節部の回転軸が水平方向となる前記垂直モードと、にアームを切替える制御を行ってもよい。 これにより、スカラモードにおいてアームを低駆動力で駆動でき、垂直モードにおいてアームを広範囲に移動させることができる。

この一態様において、前記制御部は、前記スカラモードにおいて、前記第２関節部のロール軸に掛かるトルクを最小にするように、前記駆動部を制御して前記第１、第３及び第４関節部の回転を制御してもよい。 これにより、低駆動力の第２駆動部を採用することが可能となり、アームの安全性向上及び低消費電力化を図ることができる。

この一態様において、前記制御部は、前記第２関節部からエンドエフェクタ部までの重心位置により、前記第２関節部に作用するモーメント力が最小となるように、前記駆動部を制御して前記第１、第３及び第４関節部の回転を制御してもよい。

この一態様において、前記重心位置は、ワーク重量を含んでいてもよい。

この一態様において、前記制御部は、前記垂直モードにおいて、前記第３関節部のピッチ軸に掛かるトルクを最小にするように、前記駆動部を制御して前記第３及び第４関節部の回転を制御してもよい。 これにより、低駆動力の第３駆動部を採用することが可能となり、アームの安全性向上及び低消費電力化を図ることができる。

この一態様において、前記制御部は、前記第３関節部のピッチ軸を中心とした、前記第３関節部からエンドエフェクタ部までの重心位置によるモーメント力が最小となるように、前記駆動部を制御して前記第３及び第４関節部の回転を制御してもよい。

この一態様において、前記重心位置は、ワーク重量を含んでいてもよい。

この一態様において、前記制御部は、前記第３関節部が前記第５関節部よりも高くなる低所姿勢の場合、前記第３関節部と前記第５関節部とを結ぶ線に対して前記第４関節部が下側に位置するように、前記第３及び第４関節部の回転を制御し、前記第３関節部が前記第５関節部よりも低くなる高所姿勢の場合、前記第３関節部と前記第５関節部とを結ぶ線に対して前記第４関節部が上側に位置するように、前記第３及び第４関節部の回転を制御してもよい。

この一態様において、前記第２アーム部の他端に、第４関節部を介してヨー軸又はピッチ軸周りに回転可能に一端が連結された第３アーム部を、更に備え、前記第３アーム部の他端に、第５関節部を介してロール軸、ピッチ軸及びヨー軸周りに回転可能に前記エンドエフェクタ部が連結されていてもよい。

この一態様において、前記制御部は、アームを前記垂直モードに切替えて前記第３及び第４関節部の回転を制御することで、前記第２アーム部、第３アーム部及びエンドエフェクタ部を格納してもよい。 これにより、アームをコンパクトに格納することができる。

この一態様において、前記第２関節部には、前記駆動部側からの出力トルクを前記第２関節部のロール軸側に伝達し、かつ前記第２関節部のロール軸側からのトルクを前記駆動部側に伝達しない不可逆的動力伝達機構が設けられていてもよい。 これにより、低駆動力の第２駆動部を採用することが可能となり、安全かつ低消費電力のアーム構成を実現することができる。

この一態様において、前記支持部には、前記第１関節部から前記エンドエフェクタ部までの重力を支持する重力補償機構が設けられていてもよい。 これにより、低駆動力の第６駆動部を採用することが可能となり、アームの安全性向上及び低消費電力化を図ることができる。

この一態様において、前記支持部に連結され、移動可能な移動体を更に備えていてもよい。 これにより、アームをより広範囲に移動させることができる。

他方、上記目的を達成するための本発明の一態様は、上下方向に伸縮可能な支持部と、前記支持部に、第１関節部を介してヨー軸周りに回転可能に一端が連結され、両端間にロール軸周りに回転可能な第２関節部が設けられた第１アーム部と、前記第１アーム部の他端に、第３関節部を介してヨー軸又はピッチ軸周りに回転可能に一端が連結された第２アーム部と、前記第２アーム部の他端に、第４関節部を介してヨー軸又はピッチ軸周りに回転可能に連結されたエンドエフェクタ部と、前記第１乃至第４関節部を夫々回転及び前記支持部を伸縮させる駆動部と、を備える多関節型アームロボットの制御方法であって、前記第１、第２及び第３アーム部を水平面内のみに回転させるスカラモードと、前記第２及び第３アーム部を鉛直面内のみ� ��回転させる垂直モードと、にアームを切替えて、前記第１乃至第４関節部の駆動部の駆動制御を行う、ことを特徴とする多関節型アームロボットの制御方法であってもよい。

また、上記目的を達成するための本発明の一態様は、上下方向に伸縮可能な支持部と、前記支持部に、第１関節部を介してヨー軸周りに回転可能に一端が連結され、両端間にロール軸周りに回転可能な第２関節部が設けられた第１アーム部と、前記第１アーム部の他端に、第３関節部を介してヨー軸又はピッチ軸周りに回転可能に一端が連結された第２アーム部と、前記第２アーム部の他端に、第４関節部を介してヨー軸又はピッチ軸周りに回転可能に連結されたエンドエフェクタ部と、前記第１乃至第４関節部を夫々回転及び前記支持部を伸縮させる駆動部と、を備える多関節型アームロボットの制御プログラムであって、前記第１、第２及び第３アーム部を水平面内のみに回転させるスカラモードと、前記第２及び第３アーム部を鉛直面� ��のみに回転させる垂直モードと、にアームを切替えて、前記第１乃至第４関節部の駆動部の駆動制御を行う処理をコンピュータに実行させる、ことを特徴とする多関節型アームロボットの制御プログラムであってもよい。

本発明によれば、簡易な構成で、アームを低駆動力で駆動しつつ広範囲で移動可能な多関節型アームロボット、制御方法及び制御プログラムを提供することができる。

本発明の実施１の形態１に係る多関節型アームロボットの概略的な構成を示す斜視図である。

本発明の実施の形態１に係る多関節型アームロボットの概略的なアーム構成を示すブロック図である。

本発明の実施の形態１に係る多関節型アームロボットの概略的なシステム構成を示すブロック図である。

スカラモードにおける多関節型アームロボットの状態の一例を示す側面図である。

スカラモードにおける多関節型アームロボットの状態の一例を示す斜視図である。

垂直モードにおける多関節型アームロボットの状態の一例を示す側面図である。

垂直モードにおける多関節型アームロボットの状態の一例を示す斜視図である。

スカラモードにおけるアームの可動範囲の一例を示す図である。

垂直モードの低所におけるアームの可動範囲の一例を示す図である。

垂直モードの高所におけるアームの可動範囲の一例を示す図である。

スカラモード及び垂直モードにおけるアームの可動範囲の一例を示す図である。

（ａ）垂直モードでアームが格納された状態の一例を示す斜視図である。 （ｂ）垂直モードでアームが格納された状態の一例を示す側面図である。

スカラモードにおいて、第２関節部のロール軸のトルクを最小化する方法を説明するための図である。

スカラモードにおける第２関節部のロール軸に掛かるトルクを最小にする方法の一例を示すフローチャートである。

スカラモードにおける第２関節部のロール軸に掛かるトルクを最小にする方法の一例を示すフローチャートである。

垂直モードの低所において第３関節部のピッチ軸のトルクが最小となる状態の一例を示す図である。

垂直モードの高所において第３関節部のピッチ軸のトルクが最小となる状態の一例を示す図である。

本発明の実施の形態４に係る支持部の重力補償機構の一例を示す図である。

本発明の実施の形態４に係る支持部の重力補償機構の一例を示す図である。

本発明の実施の形態５に係る第２関節部の不可逆的動力伝達機構を示す概略図である。

本発明の実施の形態６に係る支持部に連結された移動体の一例を示す側面図である。

実施の形態１．
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。 図１は、本発明の実施の形態１に係る多関節型アームロボットの概略的な構成を示す斜視図である。 また、図２は、本実施の形態１に係る多関節型アームロボットの概略的なアーム構成を示すブロック図である。 さらに、図３は、本実施の形態１に係る多関節型アームロボットの概略的なシステム構成を示すブロック図である。

本実施の形態１に係る多関節型アームロボット１０は、所定位置に固定された支持部６と、支持部６の上端に、第１関節部１を介してその一端が連結された第１アーム部１１と、第１アーム部１１の他端に、第３関節部３を介してその一端が連結された第２アーム部１２と、第２アーム部１２の他端に第４関節部４を介してその一端が連結された第３アーム部１３と、第３アーム部１３の他端に第５関節部５を介して連結されたエンドエフェクタ部７と、第１乃至第５関節部１、２、３、４、５を夫々回転及び支持部１を伸縮させる第１乃至第６駆動部２１、２２、２３、２４、２５、２６と、第１乃至第６駆動部２１、２２、２３、２４、２５、２６の駆動を制御する制御部８と、を備えている。

支持部（鉛直昇降軸）６は、上下方向へ伸縮可能な伸縮機構を有しており、その上端に連結された第１関節部１を上下方向へ移動させ、アーム全体を上下方向へ移動させることができる。 支持部６には、第１関節部１を介してヨー軸（肩軸１、水平旋回軸）Ｌ１周りに回転可能に第１アーム部１１の一端が連結されている。 また、第１アーム部１１の両端間には、ロール軸（肩軸２）Ｌ２周りに回転可能な第２関節部２が設けられている。

第１アーム部１１の他端には、第３関節部３を介してヨー軸又はピッチ軸（肩軸３）Ｌ３周りに回転可能に第２アーム部１２の一端が連結されている。 第２アーム部１２の他端には、第４関節部４を介してヨー軸又はピッチ軸（肘軸）Ｌ４周りに回転可能に第３アーム部１３の一端が連結されている。 第３アーム部１３の他端には、第５関節部５を介してロール軸（手首軸１）Ｌ５、ピッチ軸（手首軸２）Ｌ６及びヨー軸（手首軸３）Ｌ７周りに回転可能にエンドエフェクタ部７が連結されている。

なお、第５関節部５のロール軸Ｌ５、ピッチ軸Ｌ６及びヨー軸Ｌ７は、夫々、直交３軸となるように配置されている。 これにより、アームの逆運動学の解析解が得られるため制御が容易となる。 エンドエフェクタ部７は、例えば、複数の指部を有しており、物体を把持することが可能な把持部として構成されているが、これに限らず任意の構成が適用可能である。

第１乃至第５駆動部２１、２２、２３、２４、２５は、例えば、第１乃至第５関節部１、２、３、４、５、に内蔵されるサーボモータなどのアクチュエータであり、第１乃至第５関節部１、２、３、４、５を、夫々、減速機構等を介して回転駆動する。 第６駆動部２６は、例えば、支持部６に内蔵される油圧或いは電動のアクチュエータであり、伸縮機構を用いて支持部６を上下方向へ伸縮させる。 第１乃至第６駆動部２１、２２、２３、２４、２５、２６は制御部８に駆動回路などを介して接続されており、制御部８から送信される制御信号に応じて、第１乃至第５関節部１、２、３、４、５を回転駆動し、或いは、支持部６を伸縮させる。

第１乃至第５関節部１、２、３、４、５には、第１乃至第５関節部１、２、３、４、５、の回転角度を検出できる第１乃至第５回転角センサ３１、３２、３３、３４、３５が夫々設けられている。 第１乃至第５回転角センサ３１、３２、３３、３４、３５は、例えば、ポテンショメータであり、制御部８に夫々接続されており、検出した第１乃至第５関節部１、２、３、４、５の回転角度を制御部８に対して出力する。

なお、第１回転角センサ３１は第１関節部１のヨー軸Ｌ１周り（＃１）の回転角度を検出し、第２回転角センサ３２は第２関節部２のロール軸Ｌ２周り（＃２）に回転角度を検出し、第３回転角センサ３３は第３関節部３のヨー軸又はピッチ軸Ｌ３周り（＃３）の回転角度を検出し、第４回転角センサ３４は第４関節部４のヨー軸又はピッチ軸Ｌ４周り（＃４）の回転角度を検出し、第５回転センサ３５は第５関節部５のロール軸Ｌ５周り（＃５）、ピッチ軸Ｌ６周り（＃６）及びヨー軸Ｌ７周り（＃７）の回転角度を夫々検出することができる。

また、支持部６には、支持部６の高さ位置（＃０）を検出する位置センサ３６が設けられている。 位置センサ３６は制御部８に接続されており、検出した支持部６の高さ位置を制御部８に対して出力する。

制御部８は、例えば、第１乃至第５回転角センサ３１、３２、３３、３４、３５からの回転角度に基づいて第１乃至第５関節部１、２、３、４、５が目標の回転角度となるように、或いは、位置センサ３６からの高さ位置に基づいて、支持部６が目標の高さ位置となるように、フィードバック制御などを行う。

なお、制御部８は、例えば、制御処理、演算処理等を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）８ａ、ＣＰＵ８ａによって実行される制御プログラム、演算プログラム等が記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）８ｂ、処理データ等を記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）８ｃ等からなるマイクロコンピュータを中心にして、ハードウェア構成されている。

制御部８は、第１、第３及び第４関節部１、３、４を水平方向のみに回転させるスカラモード（図４及び図５）と、第３及び第４関節部３、４を垂直方向のみに回転させる垂直モード（図６及び図７）と、にアームを切替えて、第１乃至第５関節部１、２、３、４、５の第１乃至第５駆動部２１、２２、２３、２４、２５の駆動制御を行う。

第２関節部２のロール軸Ｌ２は、スカラモードと垂直モードとに切替えるためのモード切替軸としての機能を有している。 制御部８は、第２駆動部２２を制御して第２関節部２をロール軸Ｌ２周りに回転させることで、上述のように、第１、第３及び第４関節部１、３、４の回転軸Ｌ１、Ｌ３、Ｌ４が鉛直方向となるスカラモードと、第３及び第４関節部３、４の回転軸Ｌ３、Ｌ４が水平方向となる垂直モードと、に切替える制御を行う。 以下、スカラモード及び垂直モードについて詳細に説明する。

（スカラモード）
制御部８は、第２関節部２をロール軸Ｌ２周りに回転させアームをスカラモードに切替ると（図４及び図５）、第１、第３及び第４駆動部２１、２３、２４を介して、第１、第３及び第４関節部１、３、４の水平方向の回転を制御して、アーム姿勢を制御する。 これにより、例えば、重量物の把持・運搬作業時などにおいて根元の関節軸（特に、第２関節部２のロール軸Ｌ２）に掛かる負荷を効果的に軽減することができる。

ここで、スカラモードにおいて、アームやワークの重力による負荷は、支持部６、第２関節部２、及び第５関節部５に対して作用する。 一方、第５関節部５のモーメント長は短くそのモーメント力は小さく、第５関節部５を駆動する第５駆動部２５の駆動力は低く抑えることができる。 また、第２関節部２は、後述の如く、駆動力を低く抑えることが可能となり一方、したがって、支持部６の伸縮には大きな駆動力が必要となるが、支持部６の駆動力についても、後述の如く、重力補償機構６１を用いることで、低駆動力でも大きな伸縮力を発生させることが可能となる。 このように、制御部８は、アームをスカラモードに切替えることで、低駆動力かつ低消費電力でアームを駆動することができる。

なお、スカラモードにおいて、第５関節部５の上下方向の位置は、支持部６の高さ位置のみによって決定されるため、支持部６の上下方向の伸縮範囲によって第５関節部５の上下可動域が決定されることとなる（図８）。 したがって、例えば、主に机上作業のような、中間程度の高さで作業を行うのが好ましい。

（垂直モード）
制御部８は、第２関節部２をロール軸Ｌ２周りに回転させてアームを垂直モードに切替ると（図６及び図７）、第３及び第４駆動部２３、２４を介して、第３及び第４関節部３、４の垂直方向の回転を制御して、アーム姿勢を制御する。 これにより、例えば、低所や高所にある物の把持・運搬作業などの広可動域のアーム動作が可能となる。

例えば、床上のような低所において、制御部８は、第６駆動部２６を介して、支持部６を収縮させ第１関節部１を低くした状態で、アームを垂直モードに切替え、第１乃至第３関節部（肩軸１乃至３）１、２、３よりも下側にエンドエフェクタ部７を移動させて作業を行う（図９）。

一方、棚上のような高所において、制御部８は、第６駆動部２６を介して、支持部６を伸長させ第１関節部１を高くした状態で、アームを垂直モードに切替え、第１乃至第３関節部（肩軸１乃至３）１、２、３よりも上側にエンドエフェクタ部７を移動させて作業を行う（図１０）。 このように、制御部８は、アームをスカラモードから垂直モードに切替えることで、エンドエフェクタ部７の可動域を低所から高所まで広範囲に拡張することができる（図１１）。

なお、垂直モードにおいて第３及び第４関節部３、４は、ピッチ軸Ｌ３、Ｌ４周りに回転するため、重力による負荷が作用し易く、スカラモードと比較して可搬重量が小さくなる。 このため、低所や高所（図１１の領域Ｘ）の作業は最大駆動トルクを超えるような重量物を把持しないことを前提とする。 このように、制御部８は、垂直モードに切替えることで、アームを低所から高所までの広範囲で移動させ作業を行うことができる。

また、制御部８は、アームを垂直モードに切替えて、第３及び第４関節部３、４の回転を制御して、第２アーム部１２、第３アーム部１３及びエンドエフェクタ部７を格納する（図１２（ａ）及び（ｂ））。 例えば、制御部８は、アームを垂直モードに切替えて、第２アーム部１２が鉛直下方向となるように、第３関節部３を回転させ、第３アーム部１３が鉛直上方向となるように、第４関節部４を回転させる。

ここで、第２アーム部１２と第３アーム部１３とが、図１２（ａ）及び（ｂ）に示すように、アーム格納時に第４関節部４を回転させたときに相互干渉しないように、各アームを構成することで、よりコンパクトに格納することができる。

通常のスカラ型アームにおいては、アーム格納時に第２アーム部の長さ以上だけ、第３関節部の位置から水平に第２アーム部が突出するため、アームロボット全体のフットプリント（床面投影面積）が大きくなる。 一方、本実施の形態１に係る多関節型アームロボット１０によれば、アームを垂直モードに切替え、各アームを折り畳むことにより、各アームを格納した状態でのフットプリントを小さくすることが可能となる。 このように、スカラ型アームのメリットを有しつつ、その欠点である格納性を改善することができる。

以上、本実施の形態１に係る多関節型アームロボット１０において、制御部８は、第１、第３及び第４関節部１、３、４を水平方向のみに回転させるスカラモードと、第３及び第４関節部３、４を垂直方向のみに回転させる垂直モードと、にアームを切替えて、第１乃至第４関節部１、２、３、４の第１乃至第４駆動部２１、２２、２３、２４の駆動制御を行う。 これにより、スカラモードにおいてアームを低駆動力で駆動することができ、垂直モードにおいてアームを広範囲で移動させることができる。

なお、スカラモードと垂直モードとの切替えは、第１アーム部１１に両端間に第２関節部２を設け、その第２関節部２をロール軸Ｌ２周りに回転させることで簡易に実現できる。 すなわち、簡易な構成で、アームを低駆動力で駆動しつつ広範囲で移動させる多関節型アームロボット１０を提供することができる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る多関節型アームロボット１０において、制御部８は、スカラモードにおいて、第２関節部２のロール軸Ｌ２に掛かるトルクを最小にするように、第１、第３及び第４駆動部２１、２３、２４を制御して第１、第３及び第４関節部１、３、４の回転を制御する。 スカラモードにおいて、第２関節部２のロール軸Ｌ２に大きなトルクが作用し易くなっているが、この第２関節部２のトルクを最小化することで、低駆動力の第２駆動部２２を採用することが可能となり、アームの安全性向上及び低消費電力化を図ることができる。

例えば、制御部８は、第２関節部２からエンドエフェクタ部７までの重心位置Ｇによるモーメント力（モーメント長Ｘ１）が最小となるように、第１、第３及び第４駆動部２１、２３、２４を制御して第１、第３及び第４関節部１、３、４の回転を制御する（図１３）。

次に、上述のように、スカラモードにおいて第２関節部２のロール軸Ｌ２に掛かるトルクを最小にする方法の一例について詳細に説明する。 図１４は、本実施の形態２に係るスカラモードにおける第２関節部のロール軸に掛かるトルクを最小にする方法の一例を示すフローチャートである。

まず、制御部８は、エンドエフェクタ部７の目標位置姿勢、すなわち、目標手先位置姿勢を設定する（ステップＳ１０１）。 次に、制御部８は、アームが設定した目標手先位置姿勢となるように、冗長自由度パラメータを用いて周知の逆運動学演算を行い（ステップＳ１０２）、第１乃至第５関節部１、２、３、４、５の目標回転角度を算出する（ステップＳ１０３）。

ここで、上記逆運動学演算において、例えば、第１関節部１の回転角度を冗長自由度パラメータとし定数として扱い、第２関節部２はスカラモードの状態で固定されるため、本実施の形態２に係るアーム構成は昇降軸を含めて８軸であるが６軸アームと見なすことができ、第５関節部５を直交３軸とすると逆運動学の解析解を得ることができる。

その後、制御部８は、予め設定された第１乃至第３アーム部１１、１２、１３及びエンドエフェクタ部７の重量パラメータと、算出した第１乃至第５関節部１、２、３、４、５の目標回転角度と、に基づいて、周知の順運動学演算を行い（ステップＳ１０４）、第２関節部２からエンドエフェクタ部７までの重心位置Ｇを算出する（ステップＳ１０５）。

また、制御部８は、第２関節部２のロール軸Ｌ２を含む鉛直平面Ｓ１を算出する（ステップＳ１０６）。 なお、重量パラメータは、例えば、制御部８のＲＯＭ８ｂやＲＡＭ８ｃに予め設定されている。

さらに、制御部８は、算出した第２関節部２からエンドエフェクタ部７までの重心位置Ｇと、第２関節部２のロール軸Ｌ２を含む鉛直平面Ｓ１と、の距離（モーメント長）Ｘ１を算出する（図１３）（ステップＳ１０７）。

制御部８は、冗長自由度のパラメータをニュートン法などの収束演算法によって変化させ、第２関節部２からエンドエフェクタ部７までの重心位置Ｇと、第２関節部２のロール軸Ｌ２を含む鉛直平面Ｓ１と、の距離Ｘ１が最小となるように、設定し（ステップＳ１０８）、上記（ステップＳ１０２）に戻る。

なお、制御部８は、例えば、ワーク重量を予めモデル化、或いはワークの把持後に荷重センサ等を用いて検出して、上記重量パラメータを修正することで、より高精度に重心位置Ｇを算出することができる。

また、制御部８は、トルクセンサなどにより計測された第２関節部２のロール軸Ｌ２のトルクに基づいて、スカラモードにおいて第２関節部２のロール軸Ｌ２に掛かる負荷トルクを最小にしてもよい。 これにより、ワーク重量や環境との接触力等、アームに対して作用する外力を力覚センサ等で直接計測することが困難な場合でも第２関節部２のロール軸Ｌ２に掛かる負荷トルクを容易に低減することができる。

この場合、図１５に示すように、まず、制御部８は、エンドエフェクタ部７の目標位置を設定し、目標手先位置姿勢を設定する（ステップＳ２０１）。 次に、制御部８は、アーム姿勢が設定した目標手先位置姿勢となるように、冗長自由度パラメータを用いて周知の逆運動学演算を行い（ステップＳ２０２）、第１乃至第５関節部１、２、３、４、５の回転角度指令値を算出する（ステップＳ２０３）。

制御部８は、算出した第１乃至第５関節部１、２、３、４、５の回転角度指令値を第１乃至第５駆動部２１、２２、２３、２４、２５に対して出力し、第１乃至第５駆動部２１、２２、２３、２４、２５は、制御部８からの第１乃至第５関節部１、２、３、４、５の回転角度指令値に応じて、第１乃至第５関節部１、２、３、４、５を夫々回転させる（ステップＳ２０４）。

第２関節部２のトルクセンサは、第２関節部２のロール軸Ｌ２に掛かるトルクを検出し（ステップＳ２０５）、検出したトルクを制御部８に対して出力する。

制御部８は、第２関節部２のロール軸Ｌ２に掛かるトルクが小さくなるように、冗長自由度パラメータを設定し（ステップＳ２０６）、上記（ステップＳ２０２）に戻る。 なお、スカラモードにおいて第２関節部２のロール軸Ｌ２に掛かるトルクを最小化する方法について、説明したが、上記方法は一例でありこれに限らず任意の方法を用いて求めることが可能である。

以上、本実施の形態２に係る多関節型アームロボット１０によれば、スカラモードにおいて、アーム基部となる第２関節部２に大きなトルクが作用し易い状態となるが、制御部８が上述のように、第２関節部２のロール軸Ｌ２に掛かるトルクを最小にするように、第１、第３及び第４関節部１、３、４の回転を制御する。 これにより、低駆動力の第２駆動部２２を採用することが可能となり、したがって、安全かつ低消費電力のアーム構成を実現することができる。

実施の形態３．
本発明の実施の形態３に係る多関節型アームロボット１０において、制御部８は、垂直モードにおいて、第３関節部３のピッチ軸Ｌ３に掛かるトルクを最小にするように、第３及び第４駆動部２３、２４を制御して第３及び第４関節部３、４の回転を制御する。 垂直モードにおいて、第３関節部３に大きなトルクが作用し易くなっているが、この第３関節部３のトルクを最小化することで、低駆動力の第３駆動部２３を採用することが可能となり、アームの安全性向上及び低消費電力化を図ることができる。

例えば、制御部８は、第３関節部３のピッチ軸Ｌ３を中心とした、第３関節部３からエンドエフェクタ部７までの重心位置Ｇによるモーメント力（モーメント長Ｘ２）がより小さい逆運動学の解を選択し、第３及び第４駆動部２３、２４を制御して第３及び第４関節部３、４の回転を制御する。

より単純には、制御部８は、第３関節部３が第４及び第５関節部４、５よりも高くなる低所姿勢の場合、第３関節部３と第５関節部５とを結ぶ線に対して第４関節部４が下側に位置するように、第３及び第４関節部３、４の回転を制御する（図１６）。

一方、制御部８は、第３関節部３が第４及び第５関節部４、５よりも低くなる高所姿勢の場合、第３関節部３と第５関節部５とを結ぶ線に対して第４関節部４が上側に位置するように、第３及び第４関節部３、４の回転を制御する（図１７）。

以上、本実施の形態３に係る多関節型アームロボット１０によれば、垂直モードにおいて、アーム基部となる第３関節部３に大きなトルクが作用し易い状態となるが、制御部８が上述のように、第３関節部３のピッチ軸Ｌ３に掛かるトルクを最小にするように、第３及び第４関節部３、４の回転を制御することで、低駆動力の第３駆動部２３を採用することが可能となり、したがって、安全かつ低消費電力のアーム構成を実現することができる。

実施の形態４．
本発明の実施の形態４に係る多関節型アームロボット１０において、支持部６は、第１関節部１からエンドエフェクタ部７までの重力を支持する重力補償機構４１を有していても良い。 アーム基部となる支持部６の伸縮には大きな駆動力が必要となるが、支持部６に重力補償機構４１を設けることで、第１関節部１からエンドエフェクタ部７までの重力は常時、重力補償機構４１によって支持され、略実効作業力に対応する必要最小限の駆動力で支持部６を伸縮させれば良いこととなる。 すなわち、支持部６の伸縮に低駆動力の第６駆動部２６を採用することが可能となり、アームの安全性向上及び低消費電力化を図ることができる。

例えば、支持部６は所定位置に固定されたベース４２と、ベース４２に連結固定された下側部材４３と、下側部材４３に上下方向に移動可能に係合された上側部材４４と、を有している（図１８）。 下側及び上側部材内４３、４４には、上側部材４４を下側部材４３に対して上下方向に相対移動させる直動アクチュエータ（第６駆動部）２６がその長手方向に沿って設けられている。 また、下側及び上側部材内４３、４４には、第１関節部２からエンドエフェクタ部７までの重力と同等の力で、常時、上側部材４４を上方へ付勢するガススプリング（重力補償機構）４１が、直動アクチュエータ２６に対して併設されている。

なお、重力補償機構４１として、例えば、ガススプリングが用いられているが、これに限らず、例えば、カウンターウェイトを用いた構成でもよく、第１関節部１からエンドエフェクタ部７までに作用する重力を支持できれば、任意の機構を用いることができる。

実施の形態５．
本発明の実施の形態５に係る多関節型アームロボット１０において、第２関節部２には、第２駆動部２２側からの出力トルクを第２関節部２のロール軸Ｌ２側に伝達し、かつ第２関節部２のロール軸Ｌ２側からのトルクを第２駆動部２２側に伝達しない、不可逆的動力伝達機構５１が設けられていてもよい（図２０）。 不可逆的動力伝達機構５１として、例えば、トルクダイオード（登録商標）やウォームギアなどが用いられており、逆駆動を防止している。

特にスカラモードにおいて、アーム基部となる第２関節部２には大きなトルクが作用し易くなるが、モード切替軸である第２関節部２のロール軸Ｌ２を、スカラモードと垂直モードとのモード切替動作時のみに駆動させる。 そして、モード切替後は、不可逆的動力伝達機構５１によって第２関節部２のロール軸Ｌ２からのアーム重力やワーク作業による外力を保持させることで、第２駆動部２２の駆動力が無い状態でも、モード切替後のアーム姿勢を維持できる。 これにより、第２駆動部２２は、モード切替動作に必要な駆動力のみを出力できれば良いこととなる。 したがって、低駆動力の第２駆動部２２を採用することが可能となり、安全かつ低消費電力のアーム構成を実現することができる。

例えば、第２関節部２において、第２駆動部２２であるサーボモータの出力軸に減速機５２の入力軸が連結され、減速機５２の出力軸に不可逆的動力伝達機構５１の入力軸が連結され、不可逆的動力伝達機構５１の出力軸に第２関節部２のロール軸Ｌ２が連結されている。

この構成により、第２駆動部２２の出力軸が回転していない状態で、第２関節部２のロール軸Ｌ２からのアーム重力やワーク作業による外力が生じても、第２関節部２のロール軸Ｌ２は不可逆的動力伝達機構５１によってロックされる。 したがって、第２駆動部２２の駆動力がゼロでも第２関節部２のロール軸Ｌ２の回転角度が保持される。 なお、不可逆的動力伝達機構５１の許容入力回転数が減速機５２の入力軸の最高回転数より大きい場合、減速機５２と不可逆的動力伝達機構５１の組付け順序を逆にしてもよい。 また、不可逆的動力伝達機構５１は第２関節部２のロール軸Ｌ２に設けられる構成であるが、さらに、第３関節部３のヨー軸又はピッチ軸Ｌ３及び/又は第４関節部４のヨー軸又はピッチ軸Ｌ４に設けられる構成であってもよい。

実施の形態６．
本発明の実施の形態６に係る多関節型アームロボット１０は、支持部６に連結され、移動可能な移動体６１を更に備えていてもよい（図２１）。 移動体６１としては、例えば、複数の車輪６２を有する台車部６１として構成されているが、これに限らず任意の構成が適用可能である。

これにより、床上、机上、棚上などのアームの到達範囲に把持・操作対象物がない場合でも、移動体６１を作業可能な場所まで移動させ、把持等を行い搬送することができるため、広範囲の物品の把持・搬送可能となる。 すなわち、簡易な構成で、アームを低駆動力で駆動しつつより広範囲で移動させることができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

上述の実施の形態では、本発明をハードウェアの構成として説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。 本発明は、制御部８の実行する処理を、ＣＰＵ８ａにコンピュータプログラムを実行させることにより実現することも可能である。

プログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。 非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（tangible storage medium）を含む。 非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）、ＣＤ−ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Programmable ROM）、ＥＰＲＯＭ（Erasable PROM）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（random access memory））を含む。
また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（transitory computer readable medium）によってコンピュータに供給されてもよい。 一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。 一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。

本発明は、例えば、人と共存して人や物などを移動させる作業を行うロボットアームに適用可能である。

１ 第１関節部 ２ 第２関節部 ３ 第３関節部 ４ 第４関節部 ５ 第５関節部 ６ 支持部 ７ エンドエフェクタ部 ８ 制御部 １０ 多関節型アームロボット １１ 第１アーム部 １２ 第２アーム部 １３ 第３アーム部 ２１ 第１６駆動部 ２２ 第２駆動部 ２３ 第３駆動部 ２４ 第４駆動部 ２５ 第５駆動部 ２６ 第６駆動部